Såpbubbla

En såpbubbla  är en tunn flerskiktsfilm av tvålvatten fylld med luft, vanligtvis i form av en sfär med en iriserande yta . Såpbubblor varar vanligtvis bara några sekunder och spricker vid beröring eller spontant. De används ofta i sina spel av barn .

På grund av såpbubblans bräcklighet har den blivit synonymt med något attraktivt, men tomt och kortlivat. Ibland jämförs aktier på nya marknader med såpbubblor, vid artificiell inflation av deras värde kallas de för "uppblåsta".

Såpbubbla väggstruktur

Bubbelfilmen består av ett tunt lager vatten inklämt mellan två lager av molekyler, oftast tvål. Dessa lager innehåller molekyler, varav en del är hydrofil och den andra hydrofob . Den hydrofila delen attraheras av ett tunt lager vatten, medan den hydrofoba delen tvärtom trycks ut. Som ett resultat bildas lager som skyddar vatten från snabb avdunstning, samt minskar ytspänningen .

Fysiska grunder

Ytspänning och form

Bubblan existerar eftersom ytan på vilken vätska som helst (i detta fall vatten) har en viss ytspänning , vilket gör att ytan beter sig som något elastiskt . En bubbla som endast består av vatten är dock instabil och spricker snabbt. För att stabilisera dess tillstånd löses vissa ytaktiva ämnen , såsom tvål, i vatten. En vanlig missuppfattning är att tvål ökar ytspänningen på vatten. I själva verket gör den precis tvärtom: den minskar ytspänningen till ungefär en tredjedel av den för rent vatten. När en tvålfilm sträcks, minskar koncentrationen av tvålmolekyler på ytan, vilket ökar ytspänningen . Således förstärker tvålen selektivt de svaga områdena i bubblan, vilket förhindrar att de sträcker sig ytterligare. Utöver detta hindrar tvålen vattnet från att avdunsta, vilket gör att bubblans livslängd blir ännu längre.

Bubblans sfäriska form erhålls också på grund av ytspänningen . Spännkrafter bildar en sfär eftersom en sfär har den minsta ytan för en given volym. Denna form kan avsevärt förvrängas av luftströmmar och själva bubbeluppblåsningsprocessen. Men om bubblan får sväva i stillastående luft kommer dess form mycket snart att bli nära sfärisk.

Frysa bubblor

Det finns bevis på att såpbubblor fryser vid temperaturer runt -10 °C [1] . För att förhindra att bubblan går sönder när den fryser, rekommenderas att blåsa upp såpbubblan med utomhustemperaturluft (till exempel genom att flytta ringen snabbt), och inte med varm luft från munnen.

Om du blåser upp en bubbla vid -15 ° C kommer den att frysa vid kontakt med ytan. Luften inuti bubblan kommer gradvis att läcka ut och så småningom kommer bubblan att kollapsa under sin egen vikt.

Vid -25°C fryser bubblorna i luften och kan gå sönder när de träffar marken. Om du blåser upp en bubbla med varm luft vid denna temperatur kommer den att frysa i en nästan perfekt sfärisk form, men när luften svalnar och minskar i volym kan bubblan delvis kollapsa och dess form kommer att förvrängas. Bubblor som blåses upp vid denna temperatur kommer alltid att vara små, eftersom de kommer att frysa snabbt, och om du fortsätter att blåsa upp dem kommer de att spricka.

Bubbla sammanfogning

När två bubblor möts får de formen med minsta möjliga yta. Deras gemensamma vägg kommer att bukta inuti den större bubblan, eftersom den mindre bubblan har en större medelkrökning och större inre tryck. Om bubblorna är lika stora blir deras gemensamma vägg platt.

Reglerna som bubblor lyder när de är anslutna etablerades experimentellt på 1800-talet av den belgiske fysikern Joseph Plateau och bevisades matematiskt 1976 av Jean Taylor).

Bubblor som inte följer dessa regler kan i princip bildas, men de kommer att vara mycket instabila och snabbt anta rätt form eller kollapsa. Bin , som försöker minska vaxförbrukningen , kopplar ihop kammarna i bikuporna också i en vinkel på 120° och bildar på så sätt regelbundna sexkanter .

Interferens och reflektioner

Iriserande "regnbågs" -färger av såpbubblor observeras på grund av interferensen av ljusvågor och bestäms av tvålfilmens tjocklek.

När en ljusstråle passerar genom bubblans tunna film reflekteras en del av den från den yttre ytan och bildar den första strålen, medan en annan del penetrerar filmen och reflekteras från den inre ytan och bildar den andra strålen. Färgen på strålningen som observeras i reflektionen bestäms av interferensen av dessa två strålar. Eftersom varje passage av ljus genom en film skapar en fasförskjutning proportionell mot filmens tjocklek och omvänt proportionell mot våglängden, beror resultatet av interferensen på två kvantiteter. När de reflekteras läggs vissa vågor till i fas, medan andra är ur fas, och som ett resultat av detta reflekteras det vita ljuset som kolliderar med filmen med en nyans beroende på filmens tjocklek.

När filmen blir tunnare på grund av avdunstning av vatten kan en förändring i bubblans färg observeras. En tjockare film tar bort den röda komponenten från det vita ljuset, vilket gör att det reflekterade ljuset blir blågrönt. En tunnare film tar bort gult (lämnar blått ljus), sedan grönt (lämnar magenta) och sedan blått (lämnar guldgult). I slutändan blir bubbelväggen tunnare än våglängden för synligt ljus, alla reflekterade vågor av synligt ljus lägger sig i motfas och vi slutar se reflektionen alls (mot en mörk bakgrund ser denna del av bubblan ut som en "svart prick"). När detta händer är såpbubblans väggtjocklek mindre än 25 nanometer , och bubblan kommer sannolikt att spricka snart.

Interferenseffekten beror också på i vilken vinkel ljusstrålen träffar bubbelfilmen. Således, även om väggtjockleken var densamma överallt, skulle vi fortfarande observera olika färger på grund av bubblans rörelse. Men bubblans tjocklek förändras hela tiden på grund av gravitationen, vilket drar vätskan till botten så att vi vanligtvis kan se ränder i olika färger som rör sig från topp till botten.

Matematiska egenskaper

Såpbubblor är också en fysisk illustration av det minsta ytproblemet , ett komplext matematiskt problem. Till exempel, medan det har varit känt sedan 1884 att en såpbubbla har en minsta yta för en given volym, var det inte förrän 2000 som två sammanslagna bubblor också visade sig ha en minsta yta för en given kombinerad volym. Detta problem har kallats för dubbelbubblans sats. Dessutom, först med tillkomsten av geometrisk måttteori var det möjligt att bevisa att den optimala ytan kommer att vara bitvis slät och inte oändligt bruten.

Filmen av en såpbubbla tenderar alltid att minimera dess yta. Detta beror på det faktum att den fria energin hos en flytande film är proportionell mot dess yta och tenderar att uppnå ett minimum:

var  är ämnets ytspänning och  är filmens totala yta. Den optimala formen för en enda bubbla är en sfär, men flera bubblor kombinerade tillsammans har en mycket mer komplex form.

Bubble show

Såpbubbelshow är både underhållning och konst. Att skapa spektakulära bubblor kräver en hög nivå av skicklighet från konstnären, såväl som förmågan att förbereda en tvållösning av perfekt kvalitet. Vissa konstnärer skapar gigantiska bubblor, ofta lindade runt föremål eller till och med människor. Andra lyckas skapa bubblor i form av en kub , en tetraeder och andra former. Ofta, för att förstärka den visuella effekten, fylls bubblorna med rök eller brännbar gas i kombination med laserbelysning eller öppen eld.

Records

Den 2 mars 2017 satte ryska kvinnan Lyudmila Darina Guinness rekordbok "Det största antalet människor inne i en såpbubbla" [3]  - 374 personer. Den 30 januari 2018 ingick även detta rekord i " Ryska rekordboken "] [4] som världsrekord.

Spela in foto

Historik

Plateau, Joseph var en av de första i Europa som vetenskapligt studerade figurer från tvålfilmer, beskrev resultaten och formulerade problemet som bär hans namn: Plateau's problem . I den enklaste formuleringen kan den formuleras på följande sätt: "hitta ytan på det minsta området som begränsas av en given sluten rumskontur" . Han föreslog också dess fysiska lösning med hjälp av tvålfilmer.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Soap Bubble Freezing på YouTube
  2. ↑ M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros Bevis på dubbelbubblans gissningar Arkiverad 29 januari 2019 på Wayback Machine // Ann. av matte. (2), vol. 155 (2002), nr 2, 459-489.
  3. ↑ De flesta inuti en såpbubbla  (engelska) , Guinness World Records . Arkiverad från originalet den 21 mars 2018. Hämtad 20 mars 2018.
  4. ↑ Ryssland, rekordbok . Det största antalet människor i en såpbubbla (världsrekord)  (polska) , RYSSLANDS REKORDSBOK . Arkiverad från originalet den 20 mars 2018. Hämtad 20 mars 2018.

Litteratur